智能傳感與檢測技術(shù) 教案 2 電容式傳感器

《智能傳感與檢測技術(shù)》課程教案授課章節(jié)第2章電容式傳感器2.1電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.2電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2.3電容式傳感器的應用實例建議課時授課方式理論知識講授+多媒體演示+課堂提問討論所屬專業(yè)教學目標掌握電容式傳感器的工作原理以及分類熟悉電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路熟悉電容式傳感器在工程上的應用教學重點電容式傳感器的原理及分類電容式傳感器的典型應用教學難點電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』演示：準備形狀大小相同的兩片銅片以及萬用表。將銅片互相接近，用萬用表測量兩者間的電容量，可以看到，隨著二者的靠近，電容量逐漸增大；保持銅片的距離不變，請學生在兩者之間逐漸插入塑料薄膜，用萬用表測量兩者間的電容量，可以看到電容量逐漸增大；保持銅片距離不變，將兩銅片向水平方向分開，可以看到，萬用表顯示的電容量逐漸減小。通過以上顯示，引入電容傳感器的工作原理?！菏谡n內(nèi)容』2.1電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。當忽略邊緣效應時，其電容為：【課堂提問】由式可知，電容量C與A、d、ε三個參量有關(guān)。當改變A、d、ε三個參量中的任意一個量，都會引起電容C的變化。若保持其中任意兩個參量不變，只改變另一個參量，那么該參量的變化就能轉(zhuǎn)換為電容量的變化，那么電容式傳感器能分成幾種呢？分別是哪些類型？根據(jù)引起電容量變化的參量的不同，電容傳感器可以分為三種類型：改變遮蓋面積型電容傳感器、變極距型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器。2.1.1變遮蓋面積型電容式傳感器圖（a）是直線位移式結(jié)構(gòu)，極板A固定不動，稱為定極板，極板B能夠左右移動，稱為動極板，與被測物相連。當被測物移動時會帶動極板B發(fā)生位移，從而改變與定極板A的相互遮蓋面積，使兩極板間的電容量發(fā)生變化。圖（b）是角位移式結(jié)構(gòu)，當動極板圍著轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，兩極板的遮蓋面積會發(fā)生變化。2.1.2變極距型電容式傳感器當動極板隨著被測物體發(fā)生位移時，兩極板之間的距離d就會發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化。實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。一般變極距型電容傳感器的起始電容在20-30pF，極板間距在25-200um，最大位移通常小于極距的1/10。所以，在實際應用時，為了減小非線性，提高靈敏度，多采用差動式結(jié)構(gòu)，見教材第14頁圖2-4。2.1.3變介電常數(shù)型電容式傳感器因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。變介電常數(shù)型電容式傳感器可以用來測量位移、液位、物位等參數(shù)。表2-1中給出了幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)。見教材第15頁圖2-5所示，上下兩極板保持相互遮蓋面積和極距不變，相對介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)插入電容器中的深度發(fā)生變化時，兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積也會發(fā)生變化，從而使電容器的電容量發(fā)生變化。被測介質(zhì)εr2進入極板間的深度與引起電容量的變化成線性關(guān)系。2.2電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2.2.1調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器的頻率受電容傳感器電容的調(diào)制。當被測參數(shù)變化導致電容量發(fā)生變化時，LC振蕩器的振蕩頻率就會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)C/f轉(zhuǎn)換。見教材第15頁圖2-6為振蕩器調(diào)頻電路原理圖，振蕩器輸出頻率的變化在鑒頻器中轉(zhuǎn)化電壓幅度的變化，經(jīng)過放大器放大、檢波之后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來?！菊n堂討論】分析調(diào)頻電路中各部分的功能。振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：式中——振蕩回路的固定電感——振蕩回路總電容包括振蕩回路的固有電容、傳感器的引線分布電容以及傳感器的電容，即2.2.2脈沖寬度調(diào)制電路圖2-7所示為電容傳感器的脈沖寬度調(diào)制電路。當雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的端輸出為高電平時，點通過對充電，點電位逐漸升高。在端為高電平期間，端為低電平，電容通過低內(nèi)阻的二極管迅速放電，點電位被鉗制在低電平。當點電位升高超過參考電壓時，比較器產(chǎn)生一個“置零脈沖”，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，點跳變?yōu)榈碗娢?，點跳變?yōu)楦唠娢弧４藭r經(jīng)二極管迅速放電，點被鉗制在低電平，而同時點高電位經(jīng)向充電。當點電位超過時，比較器產(chǎn)生一個“置1脈沖”，使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，點恢復為高電位，點恢復為低電位。如此周而復始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一個寬度受電容、調(diào)制的脈沖波形，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。對于差動脈沖寬度調(diào)制電路，不論是改變平板電容器的極距或是極板相互遮蓋面積，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系。2.2.3運算放大器式電路運算放大器具有放大倍數(shù)K非常大、輸入阻抗很高的特點，因而可以作為電容傳感器比較理想的測量電路，見教材第16頁圖2-8，為電容傳感器。2.3電容式傳感器的應用實例電容器的電容量受到三個因素的影響，即：極距、相互遮蓋面積和極間介電常數(shù)，固定其中的兩個變量，電容量就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距、面積或者介電常數(shù)的變化，就能通過測量電容量這個參數(shù)來達到非電量電測的目的。電容傳感器的用途有很多，例如可以利用面積變化的原理，測量直線位移、角位移，構(gòu)成電子千分尺；利用介電常數(shù)變化的原理，測量環(huán)境相對濕度、液位、物位；利用極距變化的原理，測量壓力、振動等等。2.3.1電容料位計電容料位計原理圖見教材第17頁圖2-9。1、被測物料為導電體圖（a）所示，電容料位計以直徑為d的不銹鋼或紫銅棒做電極，外套聚四氟乙烯塑料絕緣套管。將其插在儲液罐中，此時導電介質(zhì)本身為外電極，內(nèi)、外電極極距為聚四氟乙烯塑料絕緣套管的厚度，當料位發(fā)生變化時，內(nèi)、外極板的相對面積發(fā)生變化，從而使電容量隨之變化。被測物料為絕緣體圖（b）所示，電容料位計可采用裸電極作為內(nèi)電極，外套以開有液體流通孔的金屬外電極，通過絕緣環(huán)裝配。當被測液體的液面在兩個電極間上下變化時，電極間介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)（上面部分為空氣，下面部分為被測液體）的高度發(fā)生變化，從而使得電容器的電容量改變。被側(cè)液位的高度正比于電容器電容量的變化。2.3.2電容式厚度傳感器電容測厚儀工作原理如圖2-10所示。2.3.3電容式差壓傳感器見教材第18頁圖2-11為一種小型差動式電容壓力傳感器。2.3.4電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器有效利用了兩個電極間的電容量